TC的編輯視角│空力套件帥就完事?關於下壓力的一些簡單、又輕鬆的數學小問題!

TC的編輯視角│空力套件帥就完事?關於下壓力的一些簡單、又輕鬆的數學小問題!
TC 2022/12/27

解釋火箭的工作原理並不難,但要解釋機翼的工作原理會需要火箭科學家。

所以,理論與實踐存在著絕對的差異,火箭背後的基本原理確實可能比機翼背後的原理要更加直觀。在火箭中,從火箭的加速透過牛頓第二與第三運動定律在相反方向產生推力等物理作用。讓我們將重點回到機翼上,通常在這種空力套件的討論上,在實際研發上需要相當大的測試數據量來支撐。


實際面臨的問題

根據DUCATI Panigale V4R以及近代MotoGP 空力套件相關新聞中,我們可以大致獲得關於一些提及下壓力的情報。在摩托車的空氣動力學中,可以產生的總量穩定下壓力在時速270公里的條件下約有30公斤,雖然這個數值是整個車輛(包含車身前半部)所產生的力,但如果單獨以「機翼套件」來進行拆分的話,也許來計算看看也是相當有趣的嘗試。

要解決這個問題,最好的方式就是把其他的計算先放在一邊,假設我們的車以大約時速200公里的速度行駛──當然,真實情況下請不要把你的手臂伸出車外 ──我們用我們的手臂來當作車身機翼空力套件,如此我們確實可以約略的估出下壓力的重量。我們可以在幾秒鐘內計算出預估值,並且領先任何業界學者,並且成為真正的工程師。

我們延續上述的假設,在第一次估算之後,我們需要對問題進行定量與技術性表述,以便後續可以寫下一些設計參數。我們來嘗試看看在沒有任何物理或工程學知識的條件下做到這一點,並且盡可能的透過直覺思維來接近我們想要的結果。

在進行更深入的探討之前,有一些注意事項:

1. 這會是一個簡化的二維(2D)討論,我們不會將機翼長度的重要3D動力學考慮進來,基本上我們會看到如下圖所示的機翼造型,具備分離流動物理特性的描述。此外,我們會把層流也考慮進因素內,所以在下圖中我們先忽略上方產生的渦流問題。